未来高性能嵌入式闪存将向UFS倾斜

闪存技术正在快速演进。随着对速度、可扩展性和效率的需求不断提升，行业标准正从eMMC转向UFS。

如今闪存无处不在，以至于在它成为性能瓶颈之前，人们很容易忽略它的存在。小到基于微控制器的物联网设备中的固件，大到数据中心里为 AI 加速器提供数据支撑，所有内容都由它存储。几十年来，NAND 闪存不断提升存储密度、降低成本，催生出从消费级设备延伸而来的全品类产品，包括固态硬盘、U 盘、存储卡、智能手机和云存储等。

这项技术的历史可追溯至 1987 年，当时东芝（现已将存储业务独立为铠侠）推出 NAND 闪存，作为高容量替代 NOR 闪存的方案。此后，NAND 闪存逐步发展成包含存储单元架构、控制器和主机接口的完整技术栈，每一代新产品都朝着更高容量、更高吞吐量的方向升级。

但闪存本身只是问题的一部分。在设计需要在现场稳定运行十年甚至更久的嵌入式系统时，理解非托管 NAND 与托管 NAND 的区别至关重要。

在接口层面，长期占据主导地位的 ** 嵌入式多媒体卡（eMMC）标准正逐渐被通用闪存存储** 取代。UFS 采用串行架构，能够实现更高带宽与更低延迟。

本文将介绍闪存的基本原理，以及推动嵌入式系统向 UFS 转型的技术驱动力。

SLC、MLC、TLC 闪存之间有何区别？

在存储单元层面，NAND 闪存以离散的电荷电平存储信息。每个单元存储的比特位数，决定了需要区分的电压电平数量：

• SLC（单层单元）：每单元 1 比特（2 个电平）

• MLC（多层单元）：每单元 2 比特（4 个电平）

• TLC（三层单元）：每单元 3 比特（8 个电平）

• QLC（四层单元）：每单元 4 比特，目前已进入样片阶段

非托管 SLC是速度最快、稳定性最强的闪存存储形式，但通常只提供低容量版本。MLC 和 TLC 通过在单个单元中编码更多比特来提升存储容量，但其代价是需要更复杂的信号检测、纠错和管理机制，这会给系统中的主处理器带来额外开销。

如今，大多数大批量应用都采用3D TLC 闪存，因为它在密度、成本和耐用性上为现代应用提供了最佳平衡。

非托管与托管 NAND：区别在于闪存控制器

闪存主要分为两种形式：行业内称为非托管（裸片）和托管。

对于裸 NAND 芯片，存储供应商可在单个封装内放入 1～16 颗裸 NAND 晶粒。系统中的主处理器或外置闪存控制器必须完成以下工作：

• 纠错编码（ECC）

• 损耗均衡

• 坏块管理

• 逻辑到物理地址映射

• 垃圾回收

这种方案给原始设备制造商带来了最大的灵活性，但也让它们承担了最大的责任。构建稳健的闪存转换层（FTL）并非易事，尤其是在闪存工艺和耐用性约束持续变化的情况下。

与之相反，托管 NAND在同一封装内集成了一颗或多颗闪存晶粒与专用控制器。内部控制器屏蔽了底层复杂性，向主机提供简洁的块设备接口。NAND 闪存从管理机制中获益巨大，因此电子行业正全面向托管闪存转型。

托管闪存采用两种广泛应用的接口标准：eMMC和UFS。这些标准让设计人员完全不必处理底层闪存管理，可将精力集中在系统级功能上。

2000 年代初期，移动设备陷入互不兼容的 NAND 接口、厂商专属指令和定制控制器的混乱局面。每款新手机都需要新驱动、新启动代码，通常还需要新硬件。

电子行业迫切需要统一的指令集、可预测的托管行为、跨厂商的直接替换能力，以及简化的块设备存储视图。多媒体卡协会与 JEDEC 为此制定了eMMC 标准。

eMMC 首个版本于 2006 年推出，行业迅速围绕其整合。到 2010 年，它已成为智能手机、平板和其他消费电子设备中嵌入式闪存的主流存储接口。

eMMC 满足了市场的迫切需求：简单、标准化、行为可预测。

什么是 UFS？为何该标准在高性能系统中取代 eMMC

但随着智能手机开始拍摄更多视频、运行更复杂的操作系统、处理更大的应用（且同时运行更多应用），eMMC 逐渐出现性能瓶颈。它采用并行、半双工接口，同一时间只能执行读或写操作，无法同时进行。即便在最快速度下，eMMC 的峰值吞吐量也仅约400 MB/s，在数据密集、多任务环境中形成瓶颈。

为解决这一问题，JEDEC 于 2011 年推出UFS，作为 eMMC 的继任者。UFS 不使用并行总线，而是采用高速串行接口，实现支持全双工通信（同时读写）的点对点连接，同时具备更低延迟和更高效的指令处理能力。

最新一代 eMMC 与 UFS 之间的性能差距十分显著：

• eMMC：峰值吞吐量 400 MB/s

• UFS：最高可达 4640 MB/s

性能提升超过10 倍，再加上更低延迟和其他优势，UFS 每比特传输的能效也大幅提升。这些特性让 UFS 不仅速度更快，也更适合当今移动和嵌入式系统中持续的高数据负载，包括高分辨率成像、增强现实（AR）、AI 加速、5G 应用以及多 GB 级数据传输。

尽管性能差距巨大，许多人曾预计 eMMC 会彻底消失并被 UFS 完全取代，但事实并非如此。嵌入式设计人员仍会在打印机、机顶盒、家庭物联网网关、流媒体设备、低端移动设备，以及使用不支持 UFS 接口的老旧处理器的系统中选择 eMMC。在这些市场中，性能并非首要考量，成本和简洁性更重要。

不过，eMMC 所使用的 NAND 类型正在发生变化。4GB、8GB、16GB 低容量 eMMC 产品主要采用 MLC NAND。但随着存储行业全面转向 3D TLC，MLC 的产能正在快速消失。用于 MLC 的先进光刻设备已不再生产。随着基于低容量 MLC 的 eMMC 逐渐稀缺，基于 TLC 的 eMMC将成为替代品。

实际最低容量必须提升。未来，64GB 和 128GB 的 TLC eMMC 将成为主流，部分厂商已提供 256GB 版本，尤其面向汽车市场。这形成了一个有趣的交汇点：eMMC 的高端容量现已与 UFS 的低端容量重叠。

eMMC 与 UFS 之间的选择：真正的决策依据

存储厂商与客户交流时，在这两种技术之间做选择时，经常出现以下几个一致的考量点：

• 处理器接口兼容性：许多传统处理器只支持 eMMC，大量现代 SoC 只支持 UFS，部分中端产品两者都支持。随着时间推移，处理器厂商在新设计中逐步淘汰      eMMC 接口，导致升级处理器的企业只能默认使用 UFS。

• 应用类别：总体而言，UFS 在智能手机、平板、AR/VR、汽车 ADAS、无人机、机器人、安防摄像头、工厂自动化和新兴 AI 边缘平台中占据主导；而 eMMC 仍存在于打印机、机顶盒、低成本物联网、媒体播放器和老旧嵌入式设计中。

• 容量趋势：随着应用需要更大存储空间，且低容量 MLC 消失，如今选择 64GB 或 128GB 产品的设计人员会发现自己已站在转向 UFS 的门槛上。

• 性能：所有客户都承认 UFS 在吞吐量、延迟和可扩展性上更优，抵触通常只源于：“我的 SoC 不支持 UFS。”

为何 UFS 正成为下一代嵌入式闪存的默认选择

目前，eMMC 和 UFS 仍拥有稳定的市场。eMMC 仍很好地服务于成本敏感、长生命周期和传统应用，厂商将在未来多年继续支持主流容量（64GB、128GB）。

但行业发展轨迹已十分明确：

• 低容量 eMMC 正在消失

• MLC 生产近乎停止

• 处理器厂商逐步淘汰 eMMC 支持

• UFS 的容量、性能和生态势头持续增长

曾经完全依赖 eMMC 的智能手机、平板和 PC 市场，未来路线图已明确指向仅支持 UFS的设计。

对于新的系统设计，工程师应考虑这一趋势。虽然 eMMC 不会一夜之间消失，但UFS 正日益成为主流、面向未来的嵌入式存储选择。